地球圈层结构研究（1）
胡经国
本文作者的话
当今地球人类正在向地球深部和深部海洋进军，同时正在或即将向月球进军、向火星进军、向宇宙深空进军。地球不仅是目前宇宙中唯一已知适宜人类居住的星球，不仅是过去、现在乃至未来数百年人类唯一的家园，而且是上述一系列探索性进军的基地和出发点。为了更好地认识和保护我们的地球家园，促进和确保上述一系列探索性进军的顺利开展和成功，进一步广泛深入地普及地球科学仍然是十分必要的。为此，本文拟根据作者手中掌握的资料对地球圈层结构研究现状和成果进行新的、比较全面系统的论述，供读者进一步了解和研究参考。
下面是正文
一、地球概述
地球（Earth），别名盖亚（Gaia）,是太阳系（SolarSystem）八大行星之一。地球是太阳系中直径、密度和质量最大的行星。地球自西向东自转，同时围绕太阳（Sun）公转。按照距离太阳由近及远的次序，地球为第三颗行星，距离太阳1.5亿公里。地球靠近太阳一侧为金星（Venus）；远离太阳一侧为火星（Mars）。
地球起源于原始太阳星云。其形成至今的年龄为46亿年。地球拥有一颗天然卫星月球，二者组成一个名为地月系统的天体系统。从太空遥看，地球呈现美丽的蓝色。
地球赤道半径为6378.137km，极半径为6356.752km，平均半径约为6371km；赤道周长约为40076km；呈两极稍扁、赤道略鼓的不规则椭圆球体。地球的表面积为5.1亿km2；其中71%为海洋，29%为陆地。地球的体积为1.0832073×1012km3。地球的平均密度为5507.85kg/m3；质量为5.965×1024kg。
地球内部具有地核、地幔、地壳圈层结构（包括由地壳和上地幔顶部构成的岩石圈）；地球外部具有大气圈、水圈、生物圈圈层结构。
地球是目前宇宙中已知存在生命的唯一星球，是包括人类在内的上百万种生物的过去、现在和将来的共同家园。
如上所述，地球不是一个均质体，而是一个由具有不同状态和不同物质成分的若干同心圈层所构成的非均质体。地球的基本结构特征是其具有内部和外部圈层结构。地面以上的圈层称为地球外部圈层，地面以下的圈层称为地球内部圈层。
二、地球外部圈层结构
地球外部圈层（EarthOuterLayer）结构由大气圈、水圈和生物圈3个圈层构成。地球外部各个圈层不仅围绕地球表面各自形成一个封闭的体系，同时彼此相互关联、相互影响、相互渗透和相互作用；而且还共同促进地球外部环境的发展和演化。
地球生命主要存在于大气圈、水圈和生物圈3个圈层之中。人类活动造成的环境污染和生态破坏，目前主要发生在大气圈、水圈和生物圈之中。因此，进一步认识和研究这3个圈层，对于理解环境污染和生态破坏发生和发展的规律，寻找解决生态环境恶化问题的方法，保护和改善地球生态环境，都具有十分重要的意义。
㈠、大气圈
1、大气圈概述
大气圈（Atmosphere），又叫做大气层，是指由于地球重力作用而围绕着地球的一层混合气体或气体圈层。
大气圈包围着地球的海洋和陆地。它分布于地面以上至少高达2000～3000km的高空。大气圈没有确切的上界，在离地表2000～16000km高空仍有稀薄的气体和基本粒子；在地表以下，土壤和岩石的孔隙裂隙中也有少量气体，它们也可以认为是大气圈的一个组成部分。
大气圈是地球生命（人类以及生物和微生物）赖以生存和繁殖必不可少的物质条件，是使地表保持恒温和水分的保护层，是促进地表形态变化的重要动力和媒介，同时它也是地球与宇宙物质相互交换的前沿。
大气圈的主要成分为氮、氧、氩、二氧化碳和不到0.04%的微量气体。这些混合气体通常被称为空气。
2、大气圈结构特征
根据大气圈温度随高度垂直分布的特征和规律，通常将其划分为5层，自下而上依次为：对流层、平流层、中间层、热层（含电离层）及逸散层。由逸散层再向外，即为太阳上层大气（相对于太阳）。
太阳上层大气是太阳活动爆发的区域。太阳活动对地球空间的影响主要是通过太阳上层大气的电磁辐射和粒子辐射来实现的。
通常认为，在地球大气圈的逸散层以外就是星际空间了。
⑴、对流层
①、对流层概述
对流层（Troposphere）是指大气圈靠近地面的最低的一层，是大气圈中空气密度最高、对流最强盛的一层。它因其中空气对流强盛而得名。
对流层从地球表面开始向高空伸展，直至对流层顶、平流层底为止。它蕴含了整个大气圈大约75%的质量，以及几乎所有（90%以上）的水蒸气和气溶胶的质量。
对流层下界为与地面的接触面，其上界高度随地理纬度和季节而变化。在低纬度地区，对流层平均高度为17～18公里；在中纬度地区平均高度为10～12公里，在极地平均高度为8～9公里。并且，对流层高度夏季高于冬季。
在英语中对流层一词“Troposphere”的字首，是由希腊语的“Tropos”（意即“旋转”或“混合”）引伸而来。正因为对流层是大气层中湍流最多的一层，所以喷气客机大多会飞越对流层顶，以便避开影响飞行安全的气流。
在宇宙中恒星也有对流层。太阳内部能量向外传播除了辐射以外，还有对流过程。从太阳0.71个太阳半径处向外到达太阳大气层底部，这一区间叫做太阳对流层。这一层气体性质变化很大，很不稳定，形成明显的上下对流运动。这是太阳内部结构的最外层。
②、对流层物质组成
对流层蕴含以下物质成份：氮（N2）、氧（O2）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）、硫酸根（SO4）、二氧化氮（NO2）、氢氧根（OH-）。
③、对流层结构与分层
对流层具有分层结构。按照气流和天气现象分布的特点，对流层可分为下层、中层和上层。
A、对流层下层
对流层下层，又称为扰动层或摩擦层。其范围一般自地面到2公里高度。随着季节和昼夜的不同，下层范围也有一些变动。一般是夏季高于冬季，白天高于夜间。
在这一层里，气流受地面摩擦作用的影响较大，湍流交换作用特别强盛。通常，随着高度的增加，风速增大，风向偏转。
在这一层中，由于地面热力作用的影响，因而气温也有明显的日变化。由于本层的水汽、尘粒含量较多，因而低云、雾、浮尘等出现频繁。
B、对流层中层
对流层中层的底界为对流层下层（摩擦层）顶面，其距地面的高度约为6公里。它受地面的影响比摩擦层要小得多。其气流状况基本上可表征整个对流层空气运动的趋势。大气中的云和降水大都产生在这一层中。
C、对流层上层
对流层上层的范围是从对流层中层顶面伸展到对流层的顶部。这一层受地面的影响更小。气温常年都在0℃以下，水汽含量较少，各种云都由冰晶和过冷水滴组成。在中纬度和热带地区，在这一层中常出现风速等于或大于30米/秒的强风带，即所谓的急流。
D、对流层顶
在对流层和平流层之间有一个厚度约为数百米到1～2公里的过渡层，称为对流层顶。它是对流层与其上的平流层的边界，距离地面约为11公里附近的位置。但是，对流层顶的高度会随着季节和纬度的变化而有所变化。一般来说，在赤道地区附近约高17公里，而在极地附近则约高9公里；其平均高度大约为11公里左右。长途客机大多会在这个边界上飞行。
要计算对流层气温随高度的变化，需要认识平流层。因为，平流层界定了对流层的位置。在对流层，气温随高度而下降；反之，在平流层，气温会随高度而上升。当气温递减率由正数（在对流层）转变为负数（在平流层）的现象出现时，这正好表示那里是对流层顶的位置了。
对流层顶的主要特征是，气温随高度增加而降低的情况在这里发生突然变化。其具体变化情形是：温度随高度增加而降低很慢，或者几乎为等温。通常根据这一变化的起始高度来确定对流层顶的位置。对流层顶的气温，在低纬度地区平均约为-83℃，在高纬度区约为-53℃。对流层顶对垂直气流有很大的阻挡作用，上升的水汽、尘粒多聚集于其下，使得那里的能见度往往较差。
④、对流层大气压力
大气压力（AtmosphericPressure）是指由大气层自身重力产生的作用于物体上的压力。在气象学上的气压是指单位面积上所受大气柱的重量，即大气压强，也就是大气柱在单位面积上所施加的压力。
大气压力与高度有密切关系，即大气压力随高度增加而递减。在近海平面1000hPa附近，高度每上升约10m，气压降1hPa；在500hPa（5500m）附近，高度每上升约20m，气压降1hPa；在200hPa（12000m）附近，高度每上升约30m，气压降1hPa。
大气压力是随大气高度而变化的。海拔愈高，大气压力愈小；两地的海拔相差愈悬殊，其气压差也愈大。
大气柱的重量还受到密度变化的影响。空气的密度愈大，也就是单位体积内空气的质量愈多，其所产生的大气压力也就愈大。由于大气的密度越靠近地面越大，因而气压随高度的变化值也是越靠近地面越大，越向高空越小。例如，在低层，每上升100米，气压降低约10毫巴；在距地面5～6公里的高空，每上升100米，气压仅降低约7毫巴；而到距地面9～10公里的高空，每上升100米，气压便只降低约5毫巴了。
气压无时无刻不在变化之中。在通常情况下，每天早晨气压上升，到下午气压下降；每年冬季气压最高，每年夏季气压最低。但是有时候，如在一次寒潮影响时，气压会很快升高；冷空气一过气压又会慢慢降低。
⑤、对流层气温
由于对流层大气的主要热量来源是地面辐射，离地面越高空气受热越少，气温也就越低，因而对流层气温随高度升高而降低。例如，中国青藏高原地区的对流层比相同高度的其它地区的对流层的温度明显较高，就是因为它提高了地面辐射的位置。
对流层气温随高度变化的普遍规律是：高度每上升100米，气温下降0.65℃；或者高度每上升1公里，气温平均下降6.49℃。
在对流层，当空气上升时，空气会因气压降低而随之扩张；为了使空气扩张需要有一定的功施加于四周，因此气温还会因空气上升而降低。
在中纬度地区，气温会从海平面大约17℃下降至对流层顶大约-52℃。在两极地区（高纬度地区），由于对流层气体相对稀薄，因而气温只会下降至-45℃；相反在赤道地区（低纬度地区）气温可以下降到-75℃。
由于对流层气温具有随高度变化的普遍规律，对流层的上部冷下部热，因而形成了对流层空气对流运动特别显著和强烈的特点。中文“对流层”名称因此而得名。
一般情况下，对流层气温随高度升高而降低。但是，在一定条件下，在对流层中也会出现气温随高度增加反而上升的现象，这种现象称为“逆温现象”。这是因为受地表影响较大，气象要素（气温、湿度等）的水平分布不均匀；空气有规则的垂直运动和无规则的乱流混合都相当强烈，上下层水气、尘埃、热量发生交换混合的缘故。
⑥、对流层天气现象
由于90%以上的水气都集中在对流层中，因而云、雾、雨、雪等众多天气现象都发生在对流层中。
2020年1月21日编写于重庆
2021年12月16日修改于重庆
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